【導(dǎo)讀】新能源汽車(chē)動(dòng)力域高壓化、小型化、輕型化是大勢(shì)所趨。更高的電池電壓如800V系統(tǒng)要求功率器件具有更高的耐壓小型化要求功率拓?fù)渚哂懈叩拈_(kāi)關(guān)頻率。碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體代表，具有高頻率、高效率、小體積等優(yōu)點(diǎn)，更適合車(chē)載充電機(jī)OBC、直流變換器 DC/DC、電機(jī)控制器等應(yīng)用場(chǎng)景高頻驅(qū)動(dòng)和高壓化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本文主要針對(duì)SiC MOSFET的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了車(chē)載充電機(jī)OBC和直流變換器DC/DC應(yīng)用中的SiC MOSFET的典型使用場(chǎng)景，并針對(duì)SiC MOSFET的特性推薦了驅(qū)動(dòng)芯片方案。最后，本文根據(jù)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)對(duì)供電的特殊要求，對(duì)不同供電設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了分析。
1. OBC DC/DC 中SiC MOSFET 應(yīng)用場(chǎng)景
1.1 OBC DC/DC 常見(jiàn)功率級(jí)架構(gòu)
車(chē)載充電機(jī)OBC和高壓直流變換器DC/DC組合為常見(jiàn)的動(dòng)力總成組合形式，兩者可以共享機(jī)械外殼和冷卻系統(tǒng)，提高功率密度，優(yōu)化成本。
OBC通常分為PFC 和DC/DC兩級(jí)。PFC級(jí)為并網(wǎng)的AC/DC變換器，將輸入的單相或三相交流電變換為直流母線電壓。受電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)置分布的影響，在中國(guó)單相交流電樁更為普遍，而在國(guó)外其它區(qū)域如歐洲，三相交流充電在逐漸成為主流。對(duì)于單相交流輸入的PFC，其輸出直流母線電壓通常為400-600V，而對(duì)于三相輸入的PFC，其輸出直流母線電壓通常為700-1000V。由于單級(jí)PFC輸出的直流電流有比較大的低頻波動(dòng)，所以典型的OBC系統(tǒng)在PFC級(jí)后還有會(huì)DC/DC變換器級(jí)，其輸出給車(chē)載高壓動(dòng)力電池供電。對(duì)于常見(jiàn)的400V或800V電池系統(tǒng)，OBC輸出電壓通常為230-450V與450-900V。
由于車(chē)載用電設(shè)備大部分為低壓供電，所以動(dòng)力域還需直流DC/DC變換器將高壓動(dòng)力電池的能量變化為低壓，為12V 負(fù)載系統(tǒng)及12V電池供電。
Figure 1. OBC DC/DC常見(jiàn)功率級(jí)架構(gòu)
1.2 400V 電壓平臺(tái) OBC DC/DC 系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景
目前新能源汽車(chē)動(dòng)力域高壓化是大勢(shì)所趨，但受電池成本高昂等因素影響，目前400V 依然是業(yè)界主流選擇的動(dòng)力電池電壓等級(jí)。 下面將分別介紹在400V電壓平臺(tái)下，單相和三相OBC系統(tǒng)中SiC MOSFET的使用場(chǎng)景。
1.2.1 400V 單相OBC 系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景
在400V 單相交流輸入的OBC DC/DC 系統(tǒng)中，不論是PFC輸出的直流母線電壓還是OBC整體輸出的電池電壓，其波動(dòng)范圍都在Si硅基MOSEFT可以承受的電壓范圍之內(nèi)。然而，隨著對(duì)系統(tǒng)功率密度要求的逐步提升，傳統(tǒng)二極管整流橋Boost PFC電路不能再滿足效率和散熱的要求，無(wú)橋PFC如圖騰柱PFC在逐步成為業(yè)界主流。在圖騰柱PFC拓?fù)渲?，可以利用碳化硅SiC MOSFET高頻開(kāi)關(guān)、反向恢復(fù)低和導(dǎo)通電阻小的優(yōu)勢(shì)，大大提升系統(tǒng)效率和功率密度，如圖2所示。
Figure 2. 400V系統(tǒng)單相圖騰柱PFC拓?fù)渲蠸iC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景
圖騰柱PFC通常由快橋臂和慢橋臂組成，快橋臂由SiC MOSFET構(gòu)成，通常開(kāi)關(guān)頻率可高達(dá)100kHz。 慢橋臂開(kāi)關(guān)頻率為工頻，即45-65Hz。對(duì)于單向OBC而言，慢橋臂可使用二極管。對(duì)于雙向OBC，即需要高壓電池反向向電網(wǎng)或負(fù)載饋電的場(chǎng)景下，慢橋臂需要使用Si MOSFET或Si IGBT以支持能量的反向傳輸。為了進(jìn)一步減小紋波和前級(jí)濾波器的體積，也可采用兩相快橋臂交錯(cuò)并聯(lián)的方式。圖3和圖4以雙向OBC為例，示意了SiC MOSFET在圖騰柱和交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱電路中的用法。
Figure 3. 圖騰柱PFC SiC MOSFET快管應(yīng)用場(chǎng)景
Figure 4. 交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱PFC SiC MOSFET快管應(yīng)用場(chǎng)景
1.2.2 400V 三相OBC系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景
對(duì)于三相交流輸入的OBC系統(tǒng)，其PFC輸出的母線電壓通常可能高達(dá)900V。在這種情況下，考慮到高耐壓與高效率的要求，通常選用SiC MOSFET而非Si IGBT作為開(kāi)關(guān)管。OBC的PFC及與DCDC級(jí)的原邊側(cè)都需使用SiC MOSFET，如圖5所示。圖6展示了以400V電壓平臺(tái)，11kW雙向OBC為例的系統(tǒng)中SiC MOSFET的使用位置。
Figure 5. 400V 三相OBC DC/DC 系統(tǒng)中SiC MOSFET 應(yīng)用場(chǎng)景
Figure 6. 400V 三相11kW雙向OBC中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景
1.3 800V 電壓平臺(tái) OBC DC/DC 系統(tǒng)中SiC MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景
在相同充電電流情況下，電池電壓從400V升級(jí)到800V后充電速率可以加倍。為了滿足大功率快充，動(dòng)力域也需要持續(xù)向高壓化演進(jìn)。當(dāng)動(dòng)力電池電壓平臺(tái)升級(jí)到800V，OBC及DC/DC電源產(chǎn)品都需要從400V等級(jí)提升到800V 電壓等級(jí)平臺(tái)。此時(shí)不論是單相或三相系統(tǒng)，OBC 的兩級(jí)和高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC高壓側(cè)的開(kāi)關(guān)管都需要使用更高耐壓的SiC MOSFET器件以滿足系統(tǒng)電壓等級(jí)的要求下，如圖7所示。圖8以800V電壓平臺(tái)下三相OBC及移相全橋DC/DC拓?fù)錇槔?，說(shuō)明了系統(tǒng)中SiC MOSFET的使用位置。
Figure 7. 800V OBC DC/DC SiC MOSFET 應(yīng)用場(chǎng)景
Figure 8. 800V 三相OBC 及移相全橋DCDC SiC MOSFET 應(yīng)用位置
2. SiC MOSFET應(yīng)用特點(diǎn)
2.1 SiC MOSFET應(yīng)用特點(diǎn)
如前文所述，SiC MOSFET在OBC DC/DC 系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景多為高電壓和高開(kāi)關(guān)速率的場(chǎng)合，因而在開(kāi)關(guān)時(shí)的dVds/dt比普通Si MOSFET顯著增加。以橋式電路為例，在上管快速開(kāi)通、下管關(guān)斷時(shí)，下管的Vds會(huì)升高，此時(shí)電荷通過(guò)米勒電容Cgd轉(zhuǎn)移至下管門(mén)極，會(huì)造成門(mén)級(jí)電壓出現(xiàn)一個(gè)小的尖峰。根據(jù)廠家和溝道技術(shù)的不同，SiC MOSFET的閾值電壓一般為2V至5V。如果在這一過(guò)程中串?dāng)_造成的電壓抬升幅度超過(guò)了SiC MOSFET開(kāi)通的閾值電壓，可能會(huì)造成下橋臂的誤開(kāi)通，從而導(dǎo)致上下橋臂直通，造成系統(tǒng)短路損壞等嚴(yán)重后果1。
Figure 9. 高dv/dt造成SiC MOSFET誤開(kāi)通
2.1 SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)選型要點(diǎn)
2.2.1 負(fù)壓驅(qū)動(dòng)
為了規(guī)避開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的橋臂直通風(fēng)險(xiǎn)，通常SiC MOSFET需要使用正負(fù)壓驅(qū)動(dòng)，即通過(guò)負(fù)壓關(guān)斷確保關(guān)斷過(guò)程中即使出現(xiàn)小的電壓尖峰，也不會(huì)超過(guò)閾值電壓致使MOSFET開(kāi)通，如下圖10所示。
Figure 10. SiC MOSFET負(fù)壓驅(qū)動(dòng)防止誤開(kāi)通
2.2.2 米勒鉗位
另一種常見(jiàn)的防止SiC MOSFET誤開(kāi)通的方式是搭建米勒鉗位電路或使用具有米勒鉗位功能的芯片，如TI的單通道隔離驅(qū)動(dòng)芯片UCC5350-Q12等。
如圖11所示，米勒鉗位功能主要通過(guò)采樣?xùn)艠O的電壓并與閾值電壓相比較，當(dāng)柵極電壓低于閾值電壓后比較器反轉(zhuǎn)，使得內(nèi)置的米勒鉗位MOSFET導(dǎo)通，形成一條低導(dǎo)通阻抗的路徑。這條低阻抗路徑可以將SiC MOSFET柵極有力關(guān)斷，從而避免誤導(dǎo)通。
Figure 11. 內(nèi)置米勒鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片防止MOSFET誤開(kāi)通
設(shè)計(jì)米勒鉗位電路也需要注意驅(qū)動(dòng)芯片需要盡量靠近開(kāi)關(guān)管。如果布板不夠優(yōu)化，米勒鉗位回路過(guò)大，可能會(huì)由于走線上寄生參數(shù)的影響，使得低阻抗路徑不夠有效，反而會(huì)增大柵極震蕩。
2.2.3 欠壓保護(hù)點(diǎn)UVLO
SiC MOSFET具有高功率密度的特性， 一般會(huì)使用較高的驅(qū)動(dòng)電壓以使得MOSFET完全開(kāi)通，從而得到最小的導(dǎo)通電阻，最低的導(dǎo)通損耗和最大的電流輸送能力。驅(qū)動(dòng)芯片的欠壓保護(hù)點(diǎn)UVLO決定了開(kāi)關(guān)管可以正常工作時(shí)最小的驅(qū)動(dòng)電壓3。如上述2.2.1小節(jié)所屬，為了防止SiC MOSFET的誤開(kāi)通，SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)一般會(huì)使用負(fù)電壓供電。此時(shí)需要注意，對(duì)于大部分無(wú)單獨(dú)COM腳的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)說(shuō)，芯片的UVLO通常參考的是芯片VEE/VSS 腳。
以SiC MOSFET C3M0016120K4為例，其導(dǎo)通閾值典型值為Vth=2.5V，以系統(tǒng)設(shè)置負(fù)壓驅(qū)動(dòng)為-5V為例。如果使用8V UVLO的驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)際SiC MOSFET可以工作的Vgsmin為8V-5V=3V，僅略高于芯片的導(dǎo)通閾值，此時(shí)SiC MOSFET的導(dǎo)通阻抗由完全開(kāi)通是的16m?上升至?級(jí)。可以看出SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓不足時(shí)，導(dǎo)通阻抗會(huì)迅速提高，可能造成系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)迅速過(guò)熱，對(duì)MOSFET長(zhǎng)期可靠性和系統(tǒng)安全都有極為不利的影響。因而一般建議選擇欠壓保護(hù)點(diǎn)UVLO為12V的芯片，如TI的UCC21530-Q15 或UCC5350-Q1, 從而對(duì)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)供電進(jìn)行及時(shí)保護(hù)，減小此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。
3. SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)供電方案
3.1 自舉供電電路
如前文所述，SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片一般需要足夠的正向驅(qū)動(dòng)電壓，以保證MOSFET完全開(kāi)通，同時(shí)也需要負(fù)壓進(jìn)行有效關(guān)斷，防止串?dāng)_。如果使用傳統(tǒng)的自舉通電的方式，由于自舉供電電壓建立需要時(shí)間，可能會(huì)存在前幾個(gè)周期開(kāi)通關(guān)斷電壓不足6。
3.2 基于雙路低邊驅(qū)動(dòng)芯片的隔離供電方案
為了避免此類(lèi)問(wèn)題，可采用隔離供電的方式給SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)供電， 常見(jiàn)的方式有全橋諧振電路等。業(yè)界主流方式為用雙路低邊驅(qū)動(dòng)如TI 的UCC27524-Q17 的兩路輸出直接驅(qū)動(dòng)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離供電，如下圖12所示。
Figure 12. 使用雙路低邊驅(qū)動(dòng)構(gòu)建隔離供電電路
然而，使用雙路低邊驅(qū)動(dòng)芯片如UCC27524-Q1驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，搭建隔離供電電路有以下幾點(diǎn)局限性：
● 首先，這種方式需要MCU或DSP提供驅(qū)動(dòng)的輸入信號(hào)，而輔源供電部分與主控芯片信號(hào)電路部分通常距離較遠(yuǎn)，走線較長(zhǎng)。輸入走線上寄生的電感和電阻容易在芯片輸入管腳耦合噪聲，超過(guò)芯片輸入規(guī)格要求，需要增加額外的輸入側(cè)防護(hù)。
● 另外，不同于驅(qū)動(dòng)MOSFET結(jié)電容的容性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)變壓器等感性負(fù)載時(shí)，輸出承受負(fù)壓和反向電流的能力有限，因而常常需要在驅(qū)動(dòng)輸出測(cè)進(jìn)行有效保護(hù)。
需要注意的是，UCC27524-Q1等芯片的輸出負(fù)向耐壓一般為二極管壓降0.3V。這時(shí)如果選擇普通PN二極管，其較大的正向?qū)▔航?~0.7V) 常常使其不能在超出負(fù)向耐壓限值時(shí)及時(shí)起到保護(hù)作用。通常建議選擇正向?qū)▔航蹈〉男ぬ鼗O管進(jìn)行負(fù)電壓的有效鉗位, 如BAT54S8.
針對(duì)這一應(yīng)用場(chǎng)景和典型電路，TI推出了新一代產(chǎn)品UCC27624-Q19，提升了輸入側(cè)負(fù)壓耐受能力至-10V，輸出負(fù)壓耐受能力提升為-2V，與輸出反向脈沖電流承受能力。使用UCC27624-Q1后，可以不需上圖中紅框標(biāo)出的鉗位保護(hù)電路，大大減小系統(tǒng)成本和板面積。關(guān)于此方案更加詳細(xì)的描述可以參考此篇E2E文章10。
3.3 基于開(kāi)環(huán)LLC 拓?fù)銾CC25800-Q1的隔離供電方案
盡管UCC27624-Q1芯片的魯棒性和管腳電應(yīng)力承受能力更強(qiáng)，但是此方案仍然有其應(yīng)用的局限性。因?yàn)樽儔浩髀└猩袭a(chǎn)生的壓降會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電壓，占空比和系統(tǒng)EMI表現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用不利。工程師一般為了減小漏感，對(duì)變壓器會(huì)采用三明治繞法。這種繞制方式會(huì)增加變壓器的層間電容，對(duì)SiC MOSFET高電壓和高dVdT應(yīng)用工況下更加嚴(yán)苛的CMTI要求不利。針對(duì)上述應(yīng)用的局限性，TI推出了LLC控制芯片UCC25800-Q111作為驅(qū)動(dòng)變壓器隔離供電方案。
LLC拓?fù)渲?，變壓器漏感可以作為電路的一部分參與諧振，因而不需要刻意優(yōu)化。這時(shí)變壓器可以使用分立式繞法12。這種繞制方法的分布電容可以做到低于2pF，漏感參與LLC電路諧振，便于系統(tǒng)EMI整體性能的優(yōu)化，且CMTI可以做到高于150V/ns。
Figure 13. 分立式變壓器繞法
另外，UCC25800-Q1設(shè)計(jì)時(shí)不需要額外來(lái)自MCU/DSP的輸入信號(hào)，因此不受主控芯片布板位置的影響。直接通過(guò)調(diào)節(jié)外部電阻即可調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，其輸出級(jí)專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)變壓器類(lèi)感性負(fù)載設(shè)計(jì)，天然承受負(fù)壓與反向電流的能力更強(qiáng)。在LLC電路變壓器副邊側(cè)，僅需使用兩顆二極管，相比于基于雙路驅(qū)動(dòng)的方案節(jié)省了兩顆二極管的成本13。
Figure 14. 基于UCC25800-Q1的驅(qū)動(dòng)供電方案
參考文獻(xiàn)
1. SiC Gate Drivers Fundamentals e-book (SLYY169)
2. UCC5350-Q1 datasheet (SLUSE29D)
3. Why is high UVLO important for safe IGBT and SiC MOSFET power switch operation (SLUA944)
4. C3M0016120K datasheet
5. UCC21530-Q1 datasheet (SLUSDG3D)
6. https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/930831/faq-ucc21520-what-do-i-need-to-know-about-power-up-delay-when-designing-a-driver-bootstrap-supply
7. UCC27524-Q1 datasheet (SLVSCC1B)
8. BAT54S datasheet
9. UCC27624-Q1 datasheet (SLUSES4B)
10. https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/posts/53437
11. UCC25800-Q1 datasheet (SLUSDX3B)
12. Isolated bias supply solutions for isolated gate drivers (SLYP832)
13. Bias Supply Design for Isolated Gate Driver Using UCC25800-Q1 Open-Loop LLC Transformer Driver (SLUAAB9A)
來(lái)源：TI
作者：Scarlett Cao
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